CN102815928A - 稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法 - Google Patents

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稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法，它涉及高发射率材料及其制备方法。它为了解决现有镍基高温合金表面防护涂层难以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求的问题。产品的化学式为La1-xLnxMgAl11019，其中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1。方法：一、原料处理；二、依照化学式，按化学计量比称取处理后的原料，球磨后得混合物；三、混合物烘干、过筛后冷压成型再冷等静压并保压，得坯体；四、坯体经烧结后即完成。本发明制备方法工艺简单、成本低以及适合于大批量生产；所得产品有利于应用于高超声速飞行器上外蒙皮的热防护涂层材料，可以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求。

Description

稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高发射率材料及其制备方法。
背景技术
耐高温金属材料在热结构部件和飞行器热防护系统中有着广泛的应用。金属材料的使用温度受到本身性质的制约，钛合金可以应用于650℃的环境；γ-TiAl合金能够承受870℃的高温；镍基高温合金的最高使用温度可以达到1000～1100℃。然而，现代航空航天以及军事工业技术的飞速发展使材料的服役环境更为苛刻。为了防止金属材料如镍基高温合金在高温下性能退化，其表面往往需要制备一层抗氧化、抗热震以及具有高发射率的多功能防护涂层，通过辐射散热的方式将大部分热量散失掉。
根据维恩位移定律，随着温度的增加，红外辐射的峰值波长向短波方向移动。由普朗克定律可以计算出，当黑体温度在1000℃时，约97％的辐射能集中在1～14μm波段。迄今为止，研究发现过渡金属氧化物体系和碳化硅及其陶瓷基复合材料在这一波段内具有较高的发射率。然而，过渡金属氧化物体系抗热冲击性较差；而碳化硅及其陶瓷基复合材料与耐高温金属材料存在热膨胀失配的问题，使得它在航空航天和军事工业等方面的应用受到限制。近年来，六铝酸盐材料引起了人们的广泛关注。它具有与耐高温金属材料相匹配的热膨胀系数以及较高的熔点和优异的高温热稳定性，这些性能使它足以胜任苛刻的高温环境，然而其热辐射性能尚未见报道。
发明内容
本发明目的是为了解决现有镍基高温合金表面防护涂层难以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求的问题，而提供稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料及其制备方法。
稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为La1-xLnxMgAl11O19，其中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1。
稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现：
一、将氧化物粉体A、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以100～300℃/h的升温速度升温至600～1000℃，保温1～4h后，以100～500℃/h的降温速度降至室温；
二、依照化学式La1-xLnxMgAl11O19，按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体A、MgO和Al2O3，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；
三、将步骤二得到的混合物烘干、过160～500目筛后，在10～40MPa的压力下冷压成型，再在100～400MPa下冷等静压，保压时间为3～10min，得到坯体；
四、将步骤五中得到的坯体在温度为1500～1700℃的条件下，烧结5～30h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；
其中步骤一中氧化物粉体A为La2O3、Nd2O3、Sm2O3和Dy2O3中的一种或两种；
步骤二中化学式La1-xLnxMgAl11O19中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1；
步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为1∶(0.5～3)；
步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶(3～5)。
本发明的有益效果是：制备方法工艺简单、成本低以及适合于大批量生产。制得的La1-xLnxMgAl11O19在3～14μm整个波段内法向光谱发射率均大于0.7，在6～11μm波段接近于1.0，有利于应用于高超声速飞行器上外蒙皮的热防护涂层材料，可以同时满足高发射率、抗热震和抗氧化的多功能要求。
附图说明
图1是具体实施方式九中所得产物La0.9Nd0.1MgAl11O19陶瓷的X射线衍射(XRD)图谱；
图2是具体实施方式九中所得产物La0.9Nd0.1MgAl11O19陶瓷的扫描电子显微镜(SEM)微观形貌图；
图3是具体实施方式九中所得产物La0.9Nd0.1MgAl11O19陶瓷在500℃下的法向光谱发射率；
图4是具体实施方式十中所得产物La0.9Sm0.1MgAl11O19陶瓷在500℃下的法向光谱发射率。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为La1-xLnxMgAl11O19，其中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1。
具体实施方式二：本实施方式稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现：
一、将氧化物粉体A、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以100～300℃/h的升温速度升温至600～1000℃，保温1～4h后，以100～500℃/h的降温速度降至室温；
二、依照化学式La1-xLnxMgAl11O19，按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体A、MgO和Al2O3，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；
三、将步骤二得到的混合物烘干、过160～500目筛后，在10～40MPa的压力下冷压成型，再在100～400MPa下冷等静压，保压时间为3～10min，得到坯体；
四、将步骤五中得到的坯体在温度为1500～1700℃的条件下，烧结5～30h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；
其中步骤一中氧化物粉体A为La2O3、Nd2O3、Sm2O3和Dy2O3中的一种或两种；
步骤二中化学式La1-xLnxMgAl11O19中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1；
步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为1∶(0.5～3)；
步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶(3～5)。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中以200℃/h的升温速度升温至800℃，保温2h后，以300℃/h的降温速度降至室温。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为1∶1.5。其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶4。其它步骤及参数与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是步骤二中磨球材质为ZrO2，大小为0.3～10mm。其它步骤及参数与具体实施方式二至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是步骤三中混合物烘干、过300目筛后，在30MPa的压力下冷压成型，再在300MPa下冷等静压，保压时间为5min。其它步骤及参数与具体实施方式二至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是步骤四中坯体在温度为1600℃的条件下，烧结10h。其它步骤及参数与具体实施方式二至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现：
一、将氧化物粉体La2O3、Nd2O3、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以300℃/h的升温速度升温至900℃，保温3h后，以100℃/h的降温速度降至室温；
二、依照化学式La1-xLnxMgAl11O19，按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体La2O3、Nd2O3、MgO和Al2O3，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；
三、将步骤二得到的混合物烘干、过500目筛后，在20MPa的压力下冷压成型，再在300MPa下冷等静压，保压时间为5min，得到坯体；
四、将步骤五中得到的坯体在温度为1700℃的条件下，烧结10h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；
其中步骤二中氧化物粉体La2O3、Nd2O3、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为1∶2；
步骤二中氧化物粉体La2O3、Nd2O3、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶3。
本实施方式中步骤二中按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体，分别为14.662g的La2O3、1.682g的Nd2O3、4.030g的MgO和56.079g的Al2O3。
本实施方式中制备所得稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为La0.9Nd0.1MgAl11O19。所得试样的XRD如图1所示，峰型狭窄而尖锐，说明样品结晶良好，衍射峰位置显示La0.9Nd0.1MgAl11O19为磁铅石结构六铝酸盐。图2显示其晶粒呈长方板状。图3显示La0.9Nd0.1MgAl11O19在3～14μm整个波段内法向光谱发射率均大于0.7，在6～11μm波段更是接近于1.0，显示出优异的热辐射性能。
具体实施方式十：本实施方式稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现：
一、将氧化物粉体La2O3、Sm2O3、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以250℃/h的升温速度升温至950℃，保温2.5h后，以150℃/h的降温速度降至室温；
二、依照化学式La1-xLnxMgAl11O19，按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体La2O3、Sm2O3、MgO和Al2O3，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；
三、将步骤二得到的混合物烘干、过300目筛后，在30MPa的压力下冷压成型，再在300MPa下冷等静压，保压时间为6min，得到坯体；
四、将步骤五中得到的坯体在温度为1650℃的条件下，烧结10h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；
其中步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为1∶1.5；
步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶3.5。
本实施方式中步骤二中按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体，分别为14.662g的La2O3、1.682g的Nd2O3、4.030g的MgO和56.079g的Al2O3。
本实施方式中制备所得稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为La0.9Nd0.1MgAl11O19。如图4所示La0.9Sm0.1MgAl11O19在6～11μm波段内法向光谱发射率大于0.9，显示出优异的热辐射性能。

Claims (8)

1.稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料，其特征在于稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的化学式为La1-xLnxMgAl11O19，其中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1。
2.如权利要求1所述稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法按以下步骤实现：
一、将氧化物粉体A、MgO和Al2O3分别置于坩埚中，再将坩埚置于高温炉中，以100～300℃/h的升温速度升温至600～1000℃，保温1～4h后，以100～500℃/h的降温速度降至室温；
二、依照化学式La1-xLnxMgAl11O19，按化学计量比称取经步骤一处理后的氧化物粉体A、MgO和Al2O3，置于球磨瓶中，加入无水乙醇和磨球，湿磨混合均匀，得到混合物；
三、将步骤二得到的混合物烘干、过160～500目筛后，在10～40MPa的压力下冷压成型，再在100～400MPa下冷等静压，保压时间为3～10min，得到坯体；
四、将步骤五中得到的坯体在温度为1500～1700℃的条件下，烧结5～30h，即完成稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备；
其中步骤一中氧化物粉体A为La2O3、Nd2O3、Sm2O3和Dy2O3中的一种或两种；
步骤二中化学式La1-xLnxMgAl11O19中Ln＝Nd、Sm或Dy，0≤x≤1；
步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为1∶(0.5～3)；
步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶(3～5)。
3.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤一中以200℃/h的升温速度升温至800℃，保温2h后，以300℃/h的降温速度降至室温。
4.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与无水乙醇的质量比为1∶1.5。
5.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤二中氧化物粉体A、MgO和Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶4。
6.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤二中磨球材质为Zr2O3，大小为0.3～10mm。
7.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤三中混合物烘干、过300目筛后，在30MPa的压力下冷压成型，再在300MPa下冷等静压，保压时间为5min。
8.根据权利要求2所述的稀土离子掺杂六铝酸盐高发射率材料的制备方法，其特征在于步骤四中坯体在温度为1600℃的条件下，烧结10h。
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